8 Technologietrends Karosserie
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- Eike Gerber
- vor 7 Jahren
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1 7.5 Fazit Technologietrends Karosserie Um den Stellenwert einer Technologiestrategie zu verdeutlichen, soll zuerst kurz auf die Zielkonflikte in der Fahrzeugentwicklung eingegangen werden. Eine Übersicht über die verschiedenen Anforderungen gibt Bild 8-1. Hier erkennt man, dass beispielsweise die Gebrauchstüchtigkeit des Fahrzeugs durch die hohen Anforderungen an die passive Sicherheit eingeschränkt werden kann. In diesem Fall ist einerseits abzuwägen, welches dieser Merkmale bei der anvisierten Zielgruppe bevorzugt wird, andererseits müssen die zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften notwendigen Technologien in ausreichendem Umfang entwickelt sein und vom Unternehmen beherrscht werden. Transportleistung Ressourcenschonung Umweltfreundlichkeit Antrieb Fahrwerk Aktive Sicherheit Wirtschaftlichkeit Fahrzeugauslegung Karosserie Fahrzeugübergreifende Subsysteme Qualität u. Zuverlässigkeit Gebrauchstüchtigkeit Passive Sicherheit Komfort Beispiele für Zielkonflikte Bild 8-1 Zielsystem der Fahrzeuganforderungen Die Karosserie stellt einen wesentlichen Teil des Fahrzeugs dar und bestimmt die grundlegende Form und darüber auch das Einsatzgebiet. Es lassen sich zwei wesentliche Einsatzgebiete für Fahrzeuge unterscheiden. Auf der einen Seite steht der reine Personentransport, auf der anderen der Gütertransport, Bild 8-2. Diese Transportaufgaben können mittels Personen-, Lastkraftwagen und Bussen realisiert werden. Transporter und Großraumlimousinen können mehrere Aufgabengebiete abdecken. Bei der Auslegung von Nutzfahrzeugen wird der Erfüllung der Betriebsanforderungen ein größerer Stellenwert als dem Aufwand bei der Herstellung beigemessen, während bei Personenkraftwagen Kriterien der Aufbaufertigung dominieren. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Nutzfahrzeugen die Anschaffungskosten einen kleineren Teil der Gesamtkosten ausmachen als bei Personenkraftwagen.
2 126 8 Technologietrends Karosserie Bild 8-2 Klassifizierung der Transportaufgaben Der Aufbau eines Kraftfahrzeugs muss verschiedenen Anforderungen in Hinblick auf die Funktion, den Betrieb, die Herstellung, die Auswirkungen auf die Umwelt und die mit ihm verbundenen Emotionen genügen, Bild 8-3. Fahrerplatz Transportleistung Transportgefäß Tragwerk Produktionsverfahren Kosten Material- und Energieeinsatz Funktion Herstellung Aufbau Betrieb Umwelt Unterhaltskosten Reparaturanfälligkeit, Kundendienst Emissionen Recycling Emotion Prestige Design Zeitgeschmack Bild 8-3 Anforderungen an den Kraftwagenaufbau Die Gewichtung der einzelnen Anforderungen untereinander hängt dabei stark vom späteren Einsatzgebiet ab. So sind die Anforderungsgebiete Funktion und Betrieb besonders bei Nutzfahrzeugen hervorzuheben, wohingegen Emotion und Herstellung bei der Konzeption und Auslegung von Pkw stärker gewichtet werden. Aufgrund der aktuellen Klimadiskussion sind die Anforderungen im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit für Fahrzeuge in allen Einsatzbereichen als relevant einzustufen.
3 8.1 Karosseriebauweisen von Pkw Karosseriebauweisen von Pkw Bei der Auslegung von PKW-Karosserien stehen vor allem Aspekte der Raumökonomie, der passiven Sicherheit und des Komforts im Vordergrund, Bild 8-4. Während die Raumökonomie und der Komfort vom Kunden direkt wahrgenommen werden können, handelt es sich bei den Anforderungen auf dem Gebiet der passiven Sicherheit oft um gesetzliche Anforderungen. Die Merkmale der passiven Sicherheit sind für den Kunden meist nur indirekt, beispielsweise über Testberichte von Verbraucherschutzverbänden wie NCAP, zu erfassen. Aufbaustruktur Raumökonomie Passive Sicherheit Komfort Innenraum Länge Breite Höhe Kopffreiheit Schulterfreiheit Kofferraum Größe Form Deformationscharakteristik Verzögerungsverlauf Überlebensraum Akustik (höherfrequent) niederfrequente Schwingungen Verwindungssteifigkeit Ein- und Ausstieg Bild 8-4 Anforderungen an die Pkw-Aufbaustruktur Karosseriebauformen Es lassen sich insgesamt acht Karosseriebauformen unterscheiden, Bild 8-5. Dabei finden insbesondere der selbsttragende Aufbau und die Space-Frame-Bauweise Anwendung bei der Gestaltung von Personenwagen. Die Multi-Material-Bauweise, die mittragende Bauweise und der Gitterrohrrahmen eignen sich prinzipiell ebenfalls für Pkw, werden jedoch weit weniger verwendet als die erstgenannten. Die für Personenwagen geeigneten Aufbauformen werden im Folgenden kurz vorgestellt. Rahmenaufbauten werden vorwiegend für Lastwagen und schwere Geländewagen eingesetzt. Aus diesem Grund findet einen genauere Betrachtung dieser Aufbauform im Kapitel statt.
4 128 8 Technologietrends Karosserie Selbstragender Aufbau Aufbauform Rahmenaufbau Hybrid- Bauweise Monocoque Mittragender Aufbau Multi-Material Bauweise Gitterrohrrahmen Space-Frame- Bauweise Bild 8-5 Karosseriebauweisen Bildet die Struktur, die das Antriebsaggregat und das Fahrwerk aufnimmt eine Einheit mit der Karosserie, spricht man von einer selbsttragenden Bauweise, Bild 8-6. Bild 8-6 Selbsttragende Karosserie des Mercedes-Benz W203
5 8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 129 Diese wird üblicherweise aus Stahl gefertigt. Es kann eine hohe Steifigkeit und Festigkeit durch das verschweißte Bodenblech sowie eingebrachte Strukturelemente erreicht werden. Dies ist besonders für die Sicherheitszelle von Vorteil, die den Fahrer und die anderen Insassen umgibt. Vorderwagen und Fahrzeugheck können so gestaltet werden, dass im Crashfall große Energiebeträge absorbiert werden können. Bei der Fertigung selbsttragender Karosserien lassen sich hohe Automatisierungsgrade erreichen. Vorraussetzung hierfür sind allerdings große Investitionen in Press- und Umformwerkzeuge. Daher wird die selbsttragende Bauweise für Fahrzeugmodelle im oberen Stückzahlenbereich eingesetzt. Für Änderungen bei der Modellpflege oder für die Fertigung von Varianten werden erneute Investitionen notwendig, so dass die Rentabilität insbesondere bei variantenreichen Modellen stark sinkt. Die mittragende Bauweise bildet eine Sonderbauform der selbsttragenden Karosserie. Dabei werden Kunststoffaußenhäute auf eine selbsttragende Karosserie aufgesetzt. Die mittragende Bodengruppe besteht ebenfalls aus Kunststoff und wird mit dem Chassis verklebt und verschraubt. Durch den Einsatz von Kunststoffen ergibt sich im Vergleich zur selbsttragenden Karosserie ein Gewichtsvorteil. Auch die Modellpflege wird erleichtert, da die Kunststoffaußenhaut einfach ersetzt werden kann. Ein ausgeführtes Beispiel bildet der BMW Z1, dessen Karosserie in Bild 8-7 dargestellt ist. Bild 8-7 Mittragende Karosserie des BMW Z1[BMW88] Die mittragende Bauweise findet nur bei Kleinserienfahrzeugen Anwendung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Herstellkosten bei großen Stückzahlen steigen. Ebenso wie bei der selbsttragenden Bauweise reduziert sich zudem mit steigender Variantenzahl die Rentabilität. Insgesamt stellt die mittragende Bauweise eine Nischenanwendung mit geringer Bedeutung für die Automobilindustrie dar.
6 130 8 Technologietrends Karosserie Bei der Hybridbauweise wird die Karosserie aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt. Durch diese Kombination von beispielsweise Aluminium und Stahl kann ein optimales Achslastverhältnis, ein geringeres Gesamtgewicht bei hoher Steifigkeit und eine verbesserte Gewichtsverteilung erreicht werden. Nachteilig zu bewerten ist, dass nur durch eine aufwändige Konstruktion Kontaktkorrosion vermieden werden kann und innovative Fügetechnologien notwendig sind. Zudem wirken sich die hohen Materialkosten von Aluminium negativ auf den realisierbaren Fahrzeugpreis aus. Space Frames hingegen bestehen aus Strangpressprofilen, welche die Fahrgastzelle wie einen Sicherheitskäfig umgeben, Bild 8-8. Die Profile werden über Knotenpunkte miteinander verbunden. Diese Knotenpunkte können beispielsweise als Gussteil dargestellt werden. Der Boden enthält in Längs- und Querrichtung eine stabile Trägerstruktur, die sich in Vorder- und Hinterwagen mit zwei Längsträgern fortsetzt. Durch die Trägerstruktur lässt sich auf einfache Art eine Modulbauweise realisieren. Die Sicherheitsfahrgastzelle wird so ausgelegt, dass sich eine hohe Steifigkeit ergibt. Front- und Heckpartie müssen eine hohe Energieaufnahme gewährleisten. Die Space Frame Bauweise ermöglicht selbst bei der Verwendung von Stahl eine Gewichtseinsparung gegenüber der konventionellen selbsttragenden Bauweise. Verwendung findet die Space Frame Bauweise beispielsweise beim Audi A8. Bild 8-8 Trägerstruktur der Space Frame Bauweise Wie bei der selbsttragenden Bauweise lassen sich für verschiedene Einzelteile hohe Automatisierungsgrade erzielen, wobei die Investitionen für Umformwerkzeuge im Vergleich relativ gering ausfallen. Auch hier lässt sich mit steigender Variantenzahl eine
7 8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 131 sinkende Rentabilität beobachten. Soll zur Gewichtseinsparung Aluminium statt Stahl verwendet werden, steigen die Materialkosten an. Außerdem lassen sich die Bleche der Außenhaut bei der Modellpflege nicht einfach verändern. Bei der Gitterrohrbauweise bildet ein Rahmen aus zusammengeschweißten Rohren das Tragwerk, Bild 8-9. An diesem Gitterrohrrahmen werden die Aggregate, das Fahrwerk und weitere Karosseriebauteile befestigt. Die Außenhaut wird auf die Rahmenstruktur geplankt. Werden Aluminium- und Kunststoffbauteile verwendet, so lässt sich im Gegensatz zur selbsttragenden Bauweise eine deutliche Gewichtseinsparung erzielen. Bild 8-9 Gitterrohrrahmen Wiesmann Roadster Problematisch bei dieser Bauweise ist, dass die Tragstruktur im Crashfall undefiniert versagen kann. Das Energieabsorptionspotential ist bei geringen Profilquerschnitten als niedrig einzustufen. Bei steigender Stückzahl und wenigen Varianten steigen zudem die Herstellungskosten an, so dass sich die Gitterrohrbauweise nur für kleine Serien anbietet. Bei der Multi-Material-Bauweise werden verschiedene Materialien kombiniert, um die positiven Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe gezielt einzubringen. Die verwendeten Materialen werden so optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Dadurch können Festigkeit und Steifigkeit der Karosseriestruktur sowie das Crashverhalten verbessert werden und gleichzeitig das Rohbaugewicht gesenkt werden. Neben Stahl und Aluminium finden auch faserverstärkte Kunststoffe und Magnesium gezielt Verwendung. Die Multi-Material-Bauweise ist sehr kostenintensiv, außerdem ergeben sich durch die Vielzahl der eingesetzten Materialen Probleme beim Fahrzeugrecycling. Ebenso ist die Verbindung der unterschiedlichen Materialien zum Teil schwierig, es bedarf einem hohen Entwicklungsaufwand im Bereich der Fügeverfahren, was auch ein Grund für die geringe Verbreitung dieser Technologie ist. Sie wird vorerst nur bei Nischenfahrzeugen im oberen Preissegment Anwendung finden. Ein Ausführungsbeispiel ist der Aston Martin Vanquish, Bild 8-10.
8 132 8 Technologietrends Karosserie Bild 8-10 Multi-Material-Bauweise des Aston Martin Vanquish Abschließend bietet sich die Möglichkeit eine Monocoques, d. h. die tragende Struktur wird in einschaliger Bauweise gefertigt und nimmt über die weitestgehend geschlossene Außenhaut die meisten angreifenden Kräfte auf. Das geringe Gewicht, die hohe Verwindungssteifigkeit, der hohe Integrationsgrad und die erhöhte Sicherheit für die Fahrzeuginsassen stellen die Vorteile des Konzepts dar. Gegen den Einsatz spricht nur die aufwendige Fertigung und somit die wirtschaftlichen Risiken für den Großserieneinsatz. Neben den heute etablierten Bauweisen wurden in den vergangenen Jahren insbesondere mit Beteiligung von Stahlherstellern verschiedene Konzeptstudien entworfen, Bild Diese Konzeptstudien zielen auf die Verwendung von hochfesten Stählen und innovativen Fertigungsverfahren zur Realisierung von Gewichtseinsparungen ab. Zu diesen Fertigungsverfahren zählt z. B. das Innenhochdruckumformen (IHU). Beim IHU werden Hohlprofile in eine Form eingelegt und mit einem inkompressiblen Medium befüllt. Dieses Medium wird mit einem Druck beaufschlagt, wodurch sich das Hohlprofil der Form anpasst. Anwendung finden auch Tailored Blanks, die verschweißte Materialverbünde aus verschiedenen Blechen unterschiedlicher Stärke darstellen. So lässt sich sowohl die Blechstärke als auch das gewählte Material den Anforderungen entsprechend anpassen. Dadurch ist es möglich, sich an weniger stark beanspruchten Stellen Material und damit auch Gewicht einsparen. Auch werden die Vorteile von Sandwichtstählen, bestehend aus einer von zwei Stahlblechen umgebenen Kernlage aus Schaumstoff genutzt. Der resultierende Werkstoffverbund verfügt über sehr gute akustische Eigenschaften. Auch die Biegesteifigkeit wird durch den Abstand zwischen den beiden Stahlblechen erhöht.
9 8.1 Karosseriebauweisen von Pkw : ULSAB-AVC Studie intensive Nutzung von AHSS (advanced HHS) 2004: ABC-Studie Arcelor-Body-Concept intensive Nutzung von Tailored Blanks und Sandwich-Stählen 1998: ULSAB-Studie intensive Nutzung von hochfesten Stählen (HHS) 2003: NSB-Studie New-Steel-Body intensive Nutzung von AHSS und IHU-Bauteilen Bild 8-11 Konzeptstudien zum Stahlleichtbau 2002: Atlas-Spaceframe Integration eines Stahl-Spaceframe mit IHU-Bauteilen in konv. Karosserie Durch den Einsatz der in den Konzeptstudien erprobten Bauweisen und Fertigungstechnologien gehen Studien von einem Gewichtseinsparpotential von 20 % bei der konventionellen Schalenbauweise bei weitgehender Kostenneutralität aus, Bild Schöpft man alle Gewichtseinsparpotentiale aus, ist sogar eine Reduktion der Karosseriemasse von 35 % möglich. 20 % 35 % Gewicht Kosten Heutiger Serienstand Kostenoptimierter Stahlleichtbau (Schalenbauweise) Kostengünstiger, gewichtsoptimierter Stahl-Ultraleichtbau Bild 8-12 Leichtbaupotentiale Relation Gewichts/Kostenziele
10 134 8 Technologietrends Karosserie Aufbauformen von Pkw Einen Überblick über die klassischen Pkw-Aufbauformen gibt Bild Neben Limousinen, Kombis und anderen Standardaufbauformen werden heute zahlreiche neue Formen angeboten. Bild 8-13 Klassische Pkw-Aufbauformen Einen besonders bekannten Vertreter dieser neuen Aufbauformen stellt das Sport Utility Vehicle (SUV) dar. Fahrzeuge mit dieser Aufbauform lassen sich im Produktprogramm von nahezu allen großen Fahrzeugherstellern finden. 8.2 Karosseriebauweisen von Lkw Ebenso wie bei den Karosseriebauweisen von Pkw lassen sich für Lastkraftwagen Anforderungen an die Aufbaustruktur formulieren. Einen wesentlichen Faktor stellt dabei die Raumökonomie dar. Hier lässt sich zwischen der Ökonomie des Fahrerarbeitsplatzes und der des Transportraums unterscheiden. Bei der passiven Sicherheit steht neben dem Schutz des Fahrers vor allem der Schutz der schwächeren Verkehrsteilnehmer im Vordergrund. Das Ziel der Rahmenauslegung ist die optimale Drehsteifigkeit. So verfügen Fahr-
11 8.2 Karosseriebauweisen von Lkw 135 zeuge, die ausschließlich für den Straßeneinsatz konzipiert sind, meist über einen drehsteifen Aufbau. Fahrzeuge, bei denen ein Geländeeinsatz angenommen wird, werden hingegen drehweich ausgelegt, so dass bei einer diagonalen Achsverschränkung der Aufbau nachgeben kann, Bild Aufbaustruktur Raumökonomie Passive Sicherheit Rahmenauslegung Rahmen, Aufbau Laderaum Art Volumen oder Größe Masse Rahmen Unterfahrschutz vorne Unterfahrschutz hinten u. seitlich drehsteif für geschlossene Aufbauten drehweich für offene Aufbauten Fahrerkabine Länge, Breite, Höhe Schlafplatz Fahrerkabine Deformationscharakteristik Verzögerungsverlauf Überlebensraum Crash-Ladungsverschiebung Bild 8-14 Anforderungen an die Lkw-Aufbaustruktur Karosseriebauformen Lastkraftwagen werden üblicherweise auf einem Leiterrahmen aufgebaut. Der Begriff Leiterrahmen resultiert aus den beiden Längsträgern, die durch Querstreben verbunden werden, Bild Hierbei ist das Transportgefäß vom eigentlich Tragwerk getrennt verbaut. Die Karosserie übernimmt somit keine tragende Funktion, sie wird lediglich auf den Leiterrahmen aufgesetzt. Wie bereits erwähnt, wird für Fahrzeuge, bei denen ein Geländeeinsatz vorgesehen wird, ein torsionsweicher Rahmen aus U-Profilen verwendet. Torsionsharte Rahmen für Straßenfahrzeuge werden aus Hohlprofilen gefertigt. Leiterrahmen eignen sich vor allem für eine variantenreiche Fertigung, da Änderungen am Transportgefäß ohne Änderungen am Rahmen erfolgen können. Der eigentliche Rahmen ist sehr belastbar und eignet sich daher auch für große Lasten. Im Vergleich zur selbsttragenden Bauweise zeichnet sich der Leiterrahmen allerdings durch ein höheres Gewicht aus. Sollen große Stückzahlen mit wenigen Varianten gefertigt werden, erweist sich der Leiterrahmen als relativ teure Lösung.
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